光照強(qiáng)度對土壤微生物量碳的影響研究

李 剛

(1.陜西地建土地工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710075；2.陜西省土地整治重點實驗室，陜西 西安 710075；3.陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710075；4.自然資源部退化及未利用土地整治工程重點實驗室，陜西 西安 710075；5.陜西省土地整治工程技術(shù)研究中心，陜西 西安 710075)

1 引言

陸地碳循環(huán)是全球碳循環(huán)的重要組成部分，直接影響到整個地球生態(tài)系統(tǒng)的能量平衡[1,2]。作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主要分解者，微生物在獲得資源構(gòu)建自身生物量的同時，也驅(qū)動著生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)、能量流通，調(diào)控碳和養(yǎng)分元素等在土壤-植物-大氣連續(xù)體間的循環(huán)，最終影響整個生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能[3，5]。土壤微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，對于土壤有機(jī)質(zhì)分解、養(yǎng)分循環(huán)和植物養(yǎng)分利用具有十分關(guān)鍵的作用，同時對外部環(huán)境也極為敏感[6]。土壤微生物量碳是土壤中體積小于5000 μm3活體和死亡微生物內(nèi)碳的總和，既是土壤有機(jī)質(zhì)的活性部分，也是土壤中最活躍的因子[7,8]，對土壤有機(jī)質(zhì)分解轉(zhuǎn)化過程中起著主導(dǎo)作用[9]，因此可以將其作為綜合評價土壤質(zhì)量和肥力狀況的指標(biāo)之一[10,11]。

目前關(guān)于土壤微生物量碳的研究逐步引起了學(xué)者們的注意，取得了一定的成果，但主要集中在不同生態(tài)系統(tǒng)中土壤微生物量碳的動態(tài)變化研究、凍融過程對土壤微生物量碳的影響研究、植被根際土壤微生物量碳動態(tài)變化以及施肥等措施對土壤微生物量碳的影響等方面，如何提高土壤微生物量碳的研究主要集中在施肥和添加有機(jī)物料等方面，例如宋日等[12]研究了玉米根茬留田對土壤微生物量碳的影響，發(fā)現(xiàn)玉米根茬留田對提高土壤微生物量碳含量和土壤脲酶、磷酸酶、纖維素酶以及轉(zhuǎn)化酶活性效果顯著。劉龍等[13]的研究也獲得了與宋日等人類似的結(jié)果。王繼紅[14]研究了氮磷肥對黑土玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤微生物量碳的影響，結(jié)果表明氮肥是影響微生物量碳的主導(dǎo)因素。朱麗霞等[15]開展了施氮和覆膜對旱作春玉米農(nóng)田土壤微生物的影響，發(fā)現(xiàn)無論覆膜與否，土壤微生物量碳均隨施氮量的增加而增加。還有學(xué)者開展了城市污泥與園林廢棄物混合堆肥對林地土壤微生物量碳的影響研究[16]，結(jié)果表明施用堆肥產(chǎn)品能夠提高土壤微生物量。文嘉等[17]以洞庭湖重金屬污染底泥為研究對象，探索了以NaCl和殼聚糖改性沸石改良的底泥對土壤中微生物量碳的影響，發(fā)現(xiàn)改性沸石改良的底泥對土壤微生物量碳也具有顯著的改良作用。但已有的研究尚未關(guān)注光照作用對土壤微生物量碳的影響問題。

研究表明，在土壤中植物生長所需的營養(yǎng)元素的含量并不低，但是可被植物吸收的部分偏少，大部分以不易被植物吸收的形式存在[18,19]。若能以生態(tài)化的方式，人為對自然界的光能、風(fēng)能、水等資源加以利用，加速將土壤中不易被植物直接吸收利用的養(yǎng)分激活，活化土壤中現(xiàn)有營養(yǎng)元素，形成良好的土壤結(jié)構(gòu)與環(huán)境，那么在少量甚至幾乎不施肥的條件下即可滿足植物生長所需的營養(yǎng)元素供應(yīng)。作為土壤中最重要的組成部分之一，土壤微生物時刻參與土壤中的物質(zhì)循環(huán)和能量流動，改善著土壤環(huán)境[20]。它們是土壤的“廚師”，參與了土壤生態(tài)系統(tǒng)中幾乎所有的生物和生物化學(xué)過程，在養(yǎng)分循環(huán)、植物多樣性維持等方面發(fā)揮著極其重要作用，可以將土壤中一些不能被作物直接利用的物質(zhì)轉(zhuǎn)換成可利用的狀態(tài)，最終實現(xiàn)土壤的可持續(xù)生產(chǎn)力的提升[21～24]。

如何利用自然手段增強(qiáng)土壤中微生物的活性和數(shù)量成為改善土壤質(zhì)量的重要手段之一。光能、風(fēng)能、水是地球上自然存在的能量來源。對于光能而言，地面上收集到的光輻射的波段范圍大約為0.295～2.5 μm，可見光區(qū)占太陽輻射總能量的約50%。有研究表明，絕大多數(shù)土壤有益微生物類群的數(shù)量與光照條件呈正相關(guān)關(guān)系。因此可以利用光照激發(fā)土壤環(huán)境中微生物含量，進(jìn)而促進(jìn)土壤中營養(yǎng)元素的供應(yīng)。為了探究光能對于土壤微生物量碳的影響，本研究選取自然資源部退化及未利用土地整治工程重點實驗室富平中試基地塿土為研究對象，分別研究不同光照時間、強(qiáng)度以及照射方式下土壤微生物量碳的變化特征，探討光照條件下影響土壤微生物量碳的主要因素，以期為提高土壤質(zhì)量提供科學(xué)參數(shù)。

2 試驗材料與方法

2.1 研究區(qū)概況

試驗所用樣品采集于自然資源部退化及未利用土地整治工程重點實驗室富平中試基地(109°11′2″E，34°42′12″N)，位于陜西省渭南市富平縣杜村鎮(zhèn)褚塬村。該區(qū)域?qū)倥瘻貛Т箨懶园敫珊导撅L(fēng)氣候，年降雨量約為470 mm，7～9月份降雨量占全年降雨量的49%左右，年蒸發(fā)量為1000～1300 mm，無霜期225 d，年均氣溫為13.4 ℃，年光能輻射總量為518～535 kJ/cm2。農(nóng)業(yè)土壤以黑壚土、黃綿土以及婁土為主。

2.2 試驗設(shè)計

本試驗分別研究不同光照強(qiáng)度、不同光照時間對土壤微生物量的影響，其中光強(qiáng)對土壤養(yǎng)分及微生物量的影響研究試驗共設(shè)置200000 lux、100000 lux、10000 lux、1000 lux四組光照強(qiáng)度，以無光照土壤為對照組，每組試驗設(shè)置三組重復(fù)。

2.3 樣品的處理及測定

采集不同光照處理下土壤鮮樣，去除土壤中的可見植物殘體，過2 mm篩，調(diào)節(jié)土壤含水量至田間持水量的40%，并在25 ℃恒溫箱中培養(yǎng)7 d。土壤微生物量碳采用熏蒸提取法測定。其基本原理為：氯仿熏蒸土壤時由于微生物的細(xì)胞膜被氯仿破壞而殺死，微生物中部分組分成分特別是細(xì)胞質(zhì)在酶的作用下自溶和轉(zhuǎn)化為K2SO4溶液可提取的成分。采用碳-自動分析儀器(multi-NC-3100，德國)測定提取液中碳的含量，以熏蒸和不熏蒸土壤中提取碳增量除以轉(zhuǎn)換系數(shù)KEC就可以估計土壤重微生物量碳含量：

MBC=(CE-C0)×V×100/(m×KEC)

(1)

式(1)中：MBC為微生物量碳，單位為mg/kg；C0為未熏蒸土樣總碳濃度，單位為mg/L；CE為熏蒸后土樣總碳濃度；V為0.5 mol/L K2SO4溶液的體積，單位為L；m是土壤樣品質(zhì)量，單位為g；KEC是培養(yǎng)期間被殺死的微生物體中的碳被浸提出來的比例，為0.38。

2.4 數(shù)據(jù)處理

本研究所獲得的數(shù)據(jù)采用SPSS 16.0進(jìn)行統(tǒng)計分析，分析不同光照處理條件下土壤微生物量碳的差異性，顯著性水平為0.05。

3 結(jié)果與分析

3.1 光強(qiáng)對土壤微生物量碳的影響

圖1為光強(qiáng)對土壤微生物量碳的影響，圖中CK1、CK2、CK3分別為試驗前土壤中微生物量碳含量、與試驗同步的自然光照的土壤微生物量碳含量、與試驗同步的未經(jīng)光照的土壤微生物量碳含量。

圖1 光強(qiáng)對土壤微生物量碳的影響

研究發(fā)現(xiàn)，試驗開展1 d后，光照強(qiáng)度為100000 lux及1000 lux的光照處理下土壤微生物量碳含量增加效果最為顯著，分別增加了118.89%和148.15%，而200000 lux和10000 lux光照處理下土壤微生物量碳含量分別降低了72.59%和85.29%。10 d后，200000、100000、10000、1000 lux光強(qiáng)下土壤微生物量碳含量分別較試驗前的變化為：-3.72%、-20.74%、22.96%和-6.67%。結(jié)果表明，短時間內(nèi)100000 lux及1000 lux對土壤微生物量碳有顯著的增加效果，但是光照時間過長，對土壤微生物量碳含量的影響不大。照射30 d以后，所有處理中微生物量碳含量均顯著下降。結(jié)果顯示：1 d后1000 lux和10000 lux光強(qiáng)處理下土壤微生物量碳含量顯著增加，可能是因為這兩個光強(qiáng)為微生物的增殖和活動創(chuàng)造了條件(表1)。

表1 光強(qiáng)對土壤微生物量碳的影響百分?jǐn)?shù) %

根據(jù)第一階段研究結(jié)果，重點選取了100000 lux和1000 lux兩種光照強(qiáng)度的處理，以無光照的處理為對照。結(jié)果表明(圖2)，與第一階段研究結(jié)果類似，在短時間內(nèi)(<6 h)，光照強(qiáng)度為100000 lux及1000 lux的光照處理下土壤微生物量碳含量增加效果最為顯著，6 h后土壤微生物量碳含量顯著降低，可能是受到了較低溫度的影響。試驗開展1 h后，100000 lux 和1000 lux光照下土壤微生物量碳分別增加了96.77%和112.9%，CK處理的土壤微生物量量碳增加了0.95%，幾乎沒有變化。6 h后， 100000 lux 和1000 lux光照下土壤微生物量碳分別降低了17.83%和6.45%，CK處理的土壤微生物量碳降低了22.58%。結(jié)果表明試驗開展1 h后土壤微生物量碳增加效果最明顯。

圖3分別為不同光照強(qiáng)度下土壤含水率和溫度的變化特征。研究表明試驗開始后，不同光照強(qiáng)度下土壤含水率均隨著光照時間的增加而降低，其中10000 lux光照強(qiáng)度下土壤含水率下降速率最快，其次為1000 lux光照強(qiáng)度的土壤含水率，CK處理的土壤含水率變化最小。試驗開始后，10000 lux光照強(qiáng)度下土壤溫度明顯升高，1000 lux光照強(qiáng)度土壤溫度略微有所升高，CK處理的土壤溫度呈下降趨勢。

圖2 光強(qiáng)對土壤微生物量碳的影響

圖4為光照強(qiáng)度與土壤含水率、溫度之間的關(guān)系，1、2、3分別為CK、1000 lux和10000 lux光照強(qiáng)度。根據(jù)統(tǒng)計分析可知，光照強(qiáng)度與土壤含水率呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(p<0.05)，表明光照可以顯著降低土壤含水率。光照強(qiáng)度與土壤溫度呈顯著正相關(guān)(p<0.05)，表明光照可以顯著增加土壤溫度。

圖5為土壤含水率、溫度分別與土壤微生物量碳之間的關(guān)系，根據(jù)統(tǒng)計分析，結(jié)果表明土壤含水率與土壤微生物量碳含量之間呈顯著正相關(guān)關(guān)系(p<0.05)，表明土壤含水率對土壤微生物量碳的含量的影響顯著。土壤溫度與土壤微生物量碳含量之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，但相關(guān)關(guān)系不顯著(p>0.05)，原因可能在于7.2～20 ℃的溫度均適宜土壤微生物的生活，導(dǎo)致溫度變化對微生物量碳的影響不顯著。

圖3 不同光照強(qiáng)度下土壤含水率和溫度的變化特征

圖4 光照強(qiáng)度與土壤含水率、溫度之間的關(guān)系

圖5 土壤含水率、溫度分別與土壤微生物量碳之間的關(guān)系

3 結(jié)論

(1)光照1 h后，100000 lux 和1000 lux光照下土壤微生物量碳分別增加了96.77%和112.9%。

(2)土壤含水率對土壤微生物量碳的影響較為顯著，隨著土壤水分含量的增加而增加。

(3)土壤溫度對土壤微生物量碳的含量影響不顯著，原因可能在于7.2～20 ℃的溫度均適宜土壤微生物的存活。